|
Радиация - источник энергии для внеземных организмов
|
|
|
|
Известно, что ионизирующее излучение оказывает разрушительное воздействие на биологию, вызывая, помимо прочего, повреждение ДНК, клеток и образование активных форм кислорода. Хотя прямое воздействие высокой дозы радиации действительно неблагоприятно для биологической активности, ионизирующее излучение может вызывать и, как известно, в некоторых случаях приводит к образованию ряда биологически полезных продуктов. Одним из таких механизмов является получение биологически полезных продуктов с помощью радиолиза, вызванного заряженными частицами. Энергетически заряженные частицы взаимодействуют с поверхностями планетарных объектов, таких как Марс, Европа и Энцелад, не защищаясь от их разреженной атмосферы.
|
|
|
|
В зависимости от энергии этих частиц, они могут проникать на глубину нескольких метров под поверхность и инициировать ряд химических реакций на своем пути. Некоторые побочные продукты невозможно получить с помощью излучения с более низкой энергией (например, солнечного света), что открывает новые возможности для их использования в жизни. Основная цель статьи - изучить концепцию радиолитической обитаемой зоны (RHZ), где химический состав радиолиза, вызванного галактическими космическими лучами, потенциально может быть использован для метаболической активности. Сначала мы рассчитываем выделение энергии и скорость образования электронов с помощью численной модели GEANT4, затем оцениваем текущее производство и возможные химические пути, которые могут быть полезны для поддержания биологической активности на Марсе, Европе и Энцеладе. Концепция RHZ обеспечивает новую основу для понимания потенциала жизни в условиях высокой радиации.
|
|
|
|
|
|
|
Объединив расчеты накопления энергии с энергетическими потребностями микробных клеток, мы определили радиальную зону для Марса, Европы и Энцелада. Эти зоны представляют собой регионы, где выработка энергии за счет радиолиза достаточна для поддержания метаболизма микроорганизмов. Мы обнаружили, что плотность бактериальных клеток самая высокая на Энцеладе, за ним следуют Марс и Европа. Мы обсуждаем влияние этих механизмов на обитаемость таких объектов в Солнечной системе и за ее пределами.
|
|
|
|
Солнечное излучение, состоящее из фотонов с энергией в несколько электрон-вольт, является основным источником энергии для многих живых организмов на Земле. Тем не менее, солнце также способно генерировать усиленный поток более энергичного излучения, включая рентгеновское излучение, гамма-излучение и энергетические частицы (solar energy particles), при экстремальных явлениях, таких как вспышки и корональные выбросы массы (Уэбб и Говард, ссылка на Webb and Howard2012). В дополнение к высокой энергии Солнца, энергичные заряженные частицы с гораздо более высокой энергией (10^9-10^21 эВ), известные как галактические космические лучи (ГКЛ), являются постоянным источником излучения по всей нашей галактике. Это энергичное излучение, которое легко может достигать поверхности планет земной группы с разреженной атмосферой, обладает достаточной энергией для ионизации атомов и молекул (Griffey, ссылка Griffey2021). GCR рассматриваются как одно из главных препятствий на пути осуществления длительных межпланетных полетов с экипажем, таких как полеты на Марс (Chancellor, Ссылка на Chancellor, Scott and Sutton, 2014). Известно, что GCR и другие виды ионизирующего излучения оказывают разрушающее воздействие на биологию посредством таких механизмов, как деградация ДНК, образование вредных радикалов и повреждение других биологических молекул внутри клетки (Wu et al., Ссылка Wu, Randers-Pehrson, Xu, Waldren, Geard, Yu и Hei1999). Большая часть современной литературы посвящена воздействию ионизирующего излучения на человека и, следовательно, развитию заболеваний из-за нарушения основных биологических процессов. Это включает в себя различные формы рака, проблемы с сердцем, неврологические расстройства, врожденные дефекты и проблемы с репродуктивной системой (Драго-Ферранте и др., Ссылка Драго-Ферранте, Ди Фиоре, Каруя, Суббаннайя, Дас, Айдоган Матик, Ариф, Гевара-Сердан, Сейлани, Галсин, Кукульска, Борг, Сулейман, Портерфилд, Камера, Кристенсон, Ронка, Стеллер, Бехешти и Каллеха-Агиус2022; Рэй, Эталонный Рэй и Гупта 2017; Лим и др., ссылаются на работы Лима, Агопяна, Уайтхеда, Бисли, Ланглуа, Эмери и Уоллера (2015).
|
|
|
|
Многие организмы, чувствительные к ультрафиолетовому излучению, выработали такие механизмы, как увеличение выработки меланина, чтобы противостоять высоким дозам радиации (Brenner and Hearing, Ссылка Brenner and Hearing2008). супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы и оксидазы оксидазы также служат механизмами защиты бактерий от разрушительных активных форм кислорода, образующихся в результате радиолитических реакций (Борисов и др., Ссылка Борисов, Силецкий, Настаси и Форте2021). Тем не менее, микроорганизмы обладают высокой устойчивостью и могут не только выдерживать высокие дозы облучения, но и некоторые виды микробов, как известно, процветают в условиях высокой радиации (Lin et al., Ссылка Lin, Hall, Lippmann-Pipke, Ward, Lollar, DeFlaun, Rothmel, Moser, Gihring, Mislowack и Онстотт, 2005; Чивиан и др., ссылаются на Чивиана, Броди, Альма, Калли, Дехала, Десантиса, Гиринга, Лапидуса, Лина, Лоури, Мозера, Ричардсона, Саутама, Вангера, Пратта, Андерсена, Хейзена, Брокмана, Аркина и Онстотта, 2008). Было обнаружено, что микробные сообщества используют водород (H2) в качестве источника энергии, получаемый в результате радиолиза, возникающего при распаде 238U, 232Th и 40K в глубоких пещерах (Lin et al., Ссылка Lin, Hall, Lippmann-Pipke, Ward, Lollar, DeFlaun, Rothmel, Мозер, Гиринг, Мисловак и Онстотт2005). Candidatus Desulforudis audaxviator, первая экосистема из одного вида, обнаруженная на золотом руднике в Южной Африке, обеспечивает свою метаболическую активность за счет продуктов радиационного распада урана, таких как HCO3-, SO4- и H2 (Chivian et al., Ссылка Chivian, Brodie, Alm, Culley, Dehal, DeSantis, Gihring, Lapidus, Лин, Лоури, Мозер, Ричардсон, Саутэм, Вангер, Пратт, Андерсен, Хейзен, Брокман, Аркин и Онстотт2008).
|
|
|
|
Поскольку многие живые существа на Земле защищают себя от прямого воздействия ультрафиолетового излучения, существует вероятность того, что источники высокоэнергетического излучения могут обеспечить источник энергии для жизни, а не разрушать ее (Atri, Ссылка Atri2016, Ссылка Atri2020; Адам и др., ссылка Adam, Фаренбах, Якобсон, Качар и Зубарев2021). Например, ионизирующее излучение приводит к ряду реакций с образованием радикалов, а также к образованию соединений, которые обычно не синтезируются в условиях низкой энергии (Materese et al., ссылка Materese, Cruikshank, Sandford, Imanaka и Nuevo2015). Радиолитические продукты могут катализировать термодинамически неблагоприятные реакции, необходимые для синтеза органических молекул. Было продемонстрировано, что радикалы могут приводить к чрезвычайно эффективному синтезу макромолекул в результате взаимодействия с такими геохимическими субстратами, как CO2, H2O, N2, NaCl, хлорапатит и пирит (Adam et al., Ссылка на Adam, Fahrenbach, Jacobson, Kacar и Zubarev, 2021). Ионизирующее излучение, возможно, способствовало образованию ряда кофакторов, таких как железо-серные кластеры, которые являются основным компонентом белков, участвующих в метаболических функциях почти у всех организмов (Bonfio et al., Ссылка Bonfio, Valer, Scintilla, Shah, Evans, Jin, Szostak, Sasselov, Sutherland и Mansy, 2017).. Более того, радиолиз и последующие радикальные реакции также участвуют во множестве процессов синтеза димеров, олигомеров и полимеров, важных для формирования биомолекул (Ghobashy, Ссылка на Ghobashy2018). Важно не сбрасывать со счетов возможность того, что источники излучения высокой энергии, такие как GCR, могут обеспечить источник питания для жизни, а не разрушать его при определенных обстоятельствах (Atri, Ссылка Atri2016; Адам и др., ссылка Adam, Фаренбах, Якобсон, Качар и Зубарев2021).
|
|
|
|
В то время как жизнь, основанная на радиолизе, может помочь обнаружить жизнь в экстремальных условиях на Земле, понимание такой высокоэнергозависимой жизни может быть особенно полезно для расширения наших поисков жизни на потенциально пригодных для жизни планетах и спутниках земной группы. В число пригодных для жизни тел входит зона Златовласки, обладающая энергией, достаточной для поддержания жизни и создания своего рода жидкого океана или моря. Жизнь, скорее всего, зародилась в жидкости из-за текучести реакционных молекул, способности биологических слоев самоорганизовываться, управления сложной органической химической реакционной способностью и высокой доступности растворителей (McKay, Ссылка McKay2014). Морская среда также может выступать в качестве мощного буфера для организмов, способствуя рассеиванию энергии. Источниками ионизирующего излучения являются ультрафиолетовые лучи от звезды-хозяина, магнитно-резонансные излучения и даже радиолиз воды в результате естественной радиоактивности в самом океане. Здесь, на Земле, было обнаружено, что бактерии выживают при радиолизе воды в континентальных водоносных горизонтах глубоко под поверхностью и сохраняются в отложениях благодаря катализу радиолитического H2 (Sauvage et al., Ссылка Sauvage, Flinders, Spivack, Pockalny, Dunlea, Anderson, Smith, Murray и D'Hondt2021). Если высокая энергия ионизирующего излучения рассеивается при надлежащих условиях, оно может быть использовано в качестве возможного источника энергии, обеспечивая при этом чрезвычайно благоприятные условия для синтеза биомолекул. Оценка различных возможностей ионизирующего излучения как источника энергии в жидких средах неизбежно расширит возможности поиска инопланетной жизни и поможет нам лучше понять границы самой жизни.
|
|
|
|
В этой статье мы исследуем следующее:
|
|
|
|
- Концепция радиолитической обитаемой зоны (RHZ): Мы представляем новую идею “радиолитической обитаемой зоны”, в которой радиолиз, вызванный излучением, может стать уникальным источником энергии для метаболизма микроорганизмов. Это расширяет традиционное понимание пригодных для жизни зон за пределы тех, которые зависят исключительно от солнечного света или геотермальной энергии.
|
|
|
|
- Использование GCR-индуцированного радиолиза для поддержания жизнедеятельности: Мы исследуем потенциал GCR для индуцирования радиолиза глубоко под поверхностью планетарных тел. Это потенциально инновационный механизм, который может позволить жизни выжить в условиях, ранее считавшихся слишком враждебными, таких как ледяные спутники Европы и Энцелад или недра Марса.
|
|
|
|
- Производство электронов, вызванное GCR, для метаболизма: Наша попытка рассчитать скорость производства электронов на основе радиолиза, вызванного GCR, предполагает, что микроорганизмы могли бы использовать эти электроны для метаболических процессов, в частности, используя сольватированные электроны для поддержания жизни во внеземных средах, расширяя существующие астробиологические модели обитаемости.
|
|
|
|
- Оценка производства биомассы и аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) на основе моделирования: Мы оцениваем количество биомассы и АТФ, которые могут поддерживаться радиолитическими электронами, предлагая уникальный количественный подход к оценке пригодности внеземных цивилизаций для жизни.
|
|
|
|
- Расчет плотности бактериальных клеток: Принимая во внимание биомассу типичной бактериальной клетки, мы оценили плотность бактериальных клеток в зависимости от глубины в неглубокой подповерхностной среде, дополнительно уточнив оценку RHZ.
|
|
|
|
Мы также подчеркиваем роль радиолиза в ускорении синтеза сложных органических молекул (СООМ), таких как аминокислоты и макромолекулы, которые необходимы для жизни. Эта идея бросает вызов общепринятому мнению о том, что высокоэнергетическое излучение является исключительно разрушительным, и вместо этого предлагает его в качестве потенциального катализатора для химии, поддерживающей жизнь.
|
|
|
|
Источник
|
